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专家:引力波就此可以确切地确认黑洞的存在

发布时间:2017年12月01日 点击数: 收藏 打印文章

专家:引力波就此可以确切地确认黑洞的存在

科普中国头条推送 2017-12-18

LVC利用高新LIGO又观测到了一对双黑洞系统。这两次观测GW151226和GW150914一起显示了宇宙中双黑洞族群,引力波就此可以确切地确认黑洞的存在并打开了认知神秘宇宙的大门。引力波天文学的时代真正地开始了!LIGO科学合作组织成员张渊皞、胡一鸣编译。引力波的GW150914的数月之后, LIGO观测到了又一对黑洞并合的产生的被称为GW151226的引力波信号在2015年12月26日UTC时间03:38:53抵达探测器。这个引力波信号发生在14亿光年外的宇宙中,是一个典型的致密双星并合,也就是两个极度致密的物体的并合。像这样的双星系统是LIGO寻找的众多引力波源的一种。引力波是时空的涟漪从这样的双星系统中带走能量从而使两个致密物体在旋转的轨道运动中互相旋近。旋近使这样物体互相靠近直到并合。双星使时空压缩伸长产生了引力波并向外传播出去。也就是这种时空的压缩伸长可以被高新LIGO探测到,并揭示产生引力波的源头的信息。GW151226 是第二个确切的由LIGO科学组织(LSC)观测到的双黑洞并合的引力波。和首次观测到的GW150914一起,这个事件标志着引力波天文学这门探索宇宙前沿的(新学科)的开始。信号:

图一。引力波事件GW151226是由高新LIGO的两个探测器:LIGO汉福德(左侧)和LIGO利文斯顿(右侧)探测到。这一图片展示了并合前最后一秒钟内探测器记录的数据中,信号随时间和频率(赫兹或每分钟转的圈数)的演化。为了确信我们真的探测到了引力波,我们把探测器中探测的数据和一个事先生成的并合双星模型进行对比。哪怕引力波信号被噪音淹没,无法用肉眼看到,这种方法也可以让我们探测引力波。这个动画展示了移除最佳匹配引力波波形前后的数据,让引力波信号更加清晰可见。当两个黑洞并合时,信号频率扶摇直上。比起第一次探测来,想用肉眼看到引力波信号困难的多。和第一次探测到的引力波一样,GW151226也是由位于汉福德和的利文斯顿高新LIGO“双子”引力波探测器观测到的。图 1显示了双黑洞并合前最后一秒在两个探测器收集到的数据。为了更易于辨认,这个动画在原始数据和和去掉最佳匹配滤波信号以后的数据之间切换。即使如此,和首次探测不同的是(信号在设备的背景噪声中非常显眼),这次的的引力波并不是不言自明的,并不能明确地说在数据中隐藏着引力波信号。这是因为GW151226的强度要低得多(被称为测量到的引力波应变强度)。同时,这个信号更难被观察到的一个原因是它有更长的时间尺度,和GW150914的0.2秒的总长度相比这次长达1秒。尽管存在着这样那样的困难使我们无法凭肉眼辨认信号,我们的探测软件仍然在数据中探测到了这个信号。这次探测是如何做到的?

图二。我们对类似与GW151226(以及之前发现的GW150914)信号的搜寻结果,这里展现了这一次探测结果相较于背景的、由LIGO仪器噪音产生“假探测”结果的显著性。我们可以看到GW151226的探测结果相对于背景分布鹤立鸡群。这个信号的迹象首次是来自于在线搜索方法,这是一种几乎在探测器数据记录的同时,实时搜索数据的方法。图2显示了其中一个方法的结果,这个分析算法在GW151226 抵达地球的70 秒后就辨认出了这个引力波信号,在大约一分钟之后,对信号性质的初步估计就计算出来了。这些初始的搜索办法是使用了一种被称为匹配滤波器的技术来辨认可能的引力波信号。这个初始方法和许多预测的信号(或称‘波形’)进行比较,来寻找最佳的匹配波形。如果两个探测器同时匹配了同一种信号,那这就是一个引力波的候选者。匹配滤波器法在GW151226的探测和分析中都是十分必要的,因为它的强度要小于第一次的引力波探测(GW150914)。初始的搜索分析只能将将给出关于引力波源性质的非常粗略的估计,包含了两个致密星体的质量,自旋频率,转轴指向,距离和在天空中的位置。为了更加精确地决定这些物理学性质(又称参数),我们使用了一种不同的技术,我们测试了许多不同的参数组合,并且检查每次预测的波形和我们看到的信号匹配得有多好。这种逼近的方法使我们可以确定一系列的参数集合来解释的观测到的信号,并给出每个参数集合正确的概率。图3显示了重建的引力波信号(利文斯顿探测器观察到的信号)和由最可信的参数生成的广义相对论爱因斯坦方程的数值解之间完美的一致。我们如何确信这是一个真实的事件?

图三。上半部显示了在利文斯顿探测器上重建引力波信号随时间的演化(灰色),以及通过数值相对论计算的信号。时间的标注以并合时刻为零时刻倒数。下半部展现了引力波频率随时间的演化。 当双黑洞旋近时,频率不断增加。它也同时可以和轨道速度v相关联,所以在右侧我们显示了以光速c为单位的速度。黑色的叉形符号标记着信号强度最强的部分,差不多就是两个黑洞并合的时刻。正如我们对首次探测做的一样,我们做了许多的检验来确保并不是环境或者设备原因造成了这个信号。这些效应可能是任何可能的外部因素来源于不正常工作的冰箱乃至是远处的闪电!在事件发生的同时,当时并没有干扰强到可以解释GW151226,所以我们得出结论这个信号一定产生于天体物理过程。我们究竟看到了什么?

图四。这一图片显示了,根据我们观测到的数据,我们队黑洞的质量(以太阳的质量为单位)的估计。我们把更重的黑洞标注为“主”黑洞,把较轻的黑洞标注为“附”黑洞。较暗的区域意味着更高的质量组合的概率。在标注着“90%”的等高线区域内,我们认为有90%的可能性包含着真实的GW151226对应的质量。通过和数百万个预测的信号波形做比较,我们可以找到双星的参数组合来描诉这个信号。图4显示了通过这个方法找到的可能的双星质量的组合。从图上可知,我们99%地确信双星中较小的那个物体不可能轻于4.5个太阳质量。这个质量已经远远超过了中子星的理论预计质量上限。因此我们可以确信地说我们观测到了一对黑洞!两个黑洞的质量分布显示,这两个黑洞的质量分别地集中地分布在14倍和8倍太阳质量。在并合发生后,最终生成的黑洞大约有21倍太阳质量。这两个黑洞可能在互相旋转的过程中进行着自转,正如地球绕着自己的地轴旋转。这个旋转可能与轨道运动倾斜了一定的夹角;对于地球而言这个倾角随着四季变换而不同,黑洞自旋的大小以及这两个黑洞自选的方向也会影响观测到信号的长度,如果自旋很大并且和双星的轨道角动量方向相同,那么这两个黑洞可以在并合前靠得非常近。反之如果他们的自旋和轨道角动量相反,那么它们会在更远的距离并合,因此会产生一个更短的引力波信号。当自旋和轨道旋转方向并不重合时,整个双星系统将会在旋近到并合的过程中摇摆不停(也就是自旋进动)。

图五。这一图片显示了两个黑洞可能的自旋值(或者说,黑洞转得有多快),以及自旋偏离(相对于轨道运动的倾角)。我们把更重的黑洞标注为“主”黑洞,把较轻的黑洞标注为“附”黑洞。两个半圆分别代表了不同的自旋值与自旋偏离的组合,较暗的区域意味着这一组合更高的概率。我们可以对主黑洞的自旋与偏离做出一定限制,但是对于附黑洞,我们做不了这种限制。图5显示了可以解释数据的自旋强度和夹角之间的组合。我们发现主要黑洞(双黑洞中较重的那个)的自旋更可能和轨道旋转的方向相同。然而我们把并不能辨别它究竟倾斜了多少夹角。这个图片还显示了我们无法给出更轻的那个黑洞任何确切的的自旋参数。并合后的黑洞也是一个旋转黑洞,我们发现它以黑洞最大的自旋的70%自旋。最终产生的黑洞比两个初始黑洞的质量总和要小,正是因为一部分质量在旋近和并合的过程中直接地转换成了引力波能量。这部分转换成引力波能量的质量差相当于我们太阳的质量。这个双黑洞并合产生的引力波的峰值功率要强于可观测宇宙所有星体和星系发出的光能总和(天文学家称之为光度)。我们还可以计算出这次黑洞并合发生在距离我们大约14亿光年外,所以这次引力波穿越了和第一次探测到的GW150914差不多远的距离。我们可以利用引力波到达两个引力波探测器的时间间隔来进行一次“三角定位”来确定引力波源在天区中的位置。但是受限于LIGO只有两个探测器,我们对波源发生的位置只能给出一个非常粗糙的估计。对于GW151226我们可以大约定位一个850平方秒的天空区域,大约是满月角面积的4000倍,随着未来更多的引力波探测器的加入,三角定位的精确度将大大地提升。GW151226 在探测器的敏感波段中停留了大约一秒,要远长于首次探测的0.2秒。这次更长的持续事件源于这次的双黑洞系统中的黑洞有更小的质量;所以更长的旋近相的引力波可以在的敏感区域中被观察到。一个更长的旋近还意味着GW151226可以更好地限制任何和广义相对论相违背的地方。我们仍然没有发现有任何迹象说明爱因斯坦错了。GW151226对天体物理意味着什么?GW151226是首次直接观测到的在这个质量范围内的双黑洞系统。因为我们并不指望双黑洞会发出任何光,所以它们发出引力波使我们可以找到通过其他手段无法直接观测到的新双黑洞系统。这也就是说,我们可以检查我们的结果和其他方法得出的结果的一致性。比如说我们可以比较我们观测到的黑洞质量(初始黑洞和最终黑洞) 和其他方法观测到的黑洞质量是否符合[[https://en.wikipedia.org/wiki/Xray_binary][X-ray binaries]]。然而我们的引力波测量是从完全独立的方法获得的。双黑洞可能形成于多种途径。它们可能源于两个同时产生的超重恒星并在它们生命的终点一起演化成了黑洞。也有可能的是,在某个宇宙区域恒星更加紧密地聚集着,双黑洞系统也可能形成于两个一开始独立演化的星体在互相作用后最终形成的双星系统。GW151226的性质和这两种形成机制都相符合,所以在此时我们并不能说哪种机制是更加可能的。不管怎样,GW151226和 GW150914都显示出宇宙中有着比我们之前预计的更加多的恒星质量黑洞。这些初始的发现是理解这些双黑洞族群非常重要的第一步,在此之前我们对这些信息是浑然无知的。转载请注明来自“科普中国”。

 

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